大跨钢结构消防安全评估的误区与正确评估的对策

大跨钢结构消防安全评估的误区与正确评估的对策

赵强 赵培旺 赵辉

山东科技大学，山东 青岛 266950

摘要：针对大跨度屋盖结构大跨度钢结构的典型误解和做法，以及对钢管混凝土柱防火性能的评估，对造成这些误解的原因进行了分析和论证，并为这些误解，大跨度钢结构的正确实施防火性能评估措施对大跨度钢结构防火性能评估具有指导意义。

关键词: 消防；性能化评估；大跨钢结构；钢管混凝土柱

概述

火灾是最常见的人为或自然灾害之一。2001年9月11日，美国世界贸易中心的双子塔倒塌，这是由于恐怖飞机撞击造成的大火，造成2830人丧生。2003年11月3日，衡州大厦发生火灾，20名消防队员遇难。2015年1月2日，哈尔滨南陶瓷市场北部发生大火，造成三栋住宅楼倒塌，五名消防员丧生。着火的建筑结构的安全是疏散和灭火的最后一道防线。着火的建筑结构的安全性可以为疏散火灾和灭火提供必要的时间。通常，消防官兵是最后离开消防现场的人。建筑结构的安全对于确保消防官兵的生命安全特别重要。对火灾下建筑结构的防火性能进行科学合理的评估，防止火灾下建筑结构的坍塌和破坏是确保撤离人员和消防员安全的必要措施。大跨度钢结构一般包括网架结构、网壳结构、钢桁架结构和大跨度横梁结构，广泛应用于火车站、大型商场、大型购物中心等公共建筑中。由于这类建筑物的使用功能复杂，火灾负荷分布复杂，密度较高，人员密度大，常常是消防的关键单位。大跨度钢结构火灾下的结构安全非常重要，正确评估此类结构的火灾性能非常重要。

2. 大跨钢结构消防性能化评估中的误区

目前，大跨度钢结构的耐火设计和防火一般通过防火安全性评估或防火性能评估来解决。大跨度钢结构的火灾性能评价存在着明显的误区，对大跨度钢结构的火灾安全具有隐患。明显的误区详述如下：

2. 1 防火保护层厚度确定

大跨钢结构构件的防火保护层厚度按GB50016－2014《建筑设计防火规范》(以下简称《建规》)中的梁取值。一般来说，建筑规范中所指的梁是框架结构中的梁构件，梁是受弯构件。截面内力为弯矩和剪力，轴力为零。网格结构构件的应力形式分为两种形式：轴向压缩杆和轴向拉伸杆。不管是轴向压缩或受拉构件，还是偏心压缩和受拉构件，格栅构件的轴向力都较大，并且格栅构件的应力状态与梁构件的应力状态根本不同。因此，根据建筑规范附录表中的梁构件来保护网格构件是错误的。与网格结构相比，网状壳结构中受压构件的数量要多得多，但网状壳构件的应力形式却与网格结构接近。格栅框架和格子壳结构中的构件通常为钢管，而钢桁架结构中的构件通常为异型钢，具有较大的横截面积，并且钢桁架结构具有较大的承载能力，适用于更高的承重要求的情况。由于较大的节点刚度，钢桁架结构构件的应力状态通常为偏心张紧或偏心压缩的构件，其接近网格钢部件的应力状态，但远离主弯曲梁，该方法是错误的。大跨横梁结构的特点是梁的跨度很大，比一般梁构件的跨度大得多。其力学性能明显不同于普通梁。在建筑规范中采用梁的保护方法是错误的。

2. 2 防火保护温度确定

钢结构温度超过300℃的区域需要防火，低于300℃的区域不需要防火。在当前的大跨度钢结构的消防安全评估中，通常得出的结论是，当钢的屈服强度不低于300℃时，该钢结构不需要防火，这是错误的。

2.2.1 结构分析

建筑结构由节点连接的组件组成，建筑结构的总体机械性能与单个组件根本不同。静态确定的结构由许多组件组成，这些组件只能保持几何形状不变，并且没有额外的约束。组件数量很少。如果一个组件发生故障，则整个结构将被破坏。超静定结构是在超静定结构上附加多余约束而形成的一种结构。由于冗余约束的存在，超静定结构的冗余度较大，以保证整个建筑结构不受一两个构件的破坏。实际上，除了在临时单跨建筑物（例如，单稳定的稳定建筑物）中为静定结构的简支梁之外，其余大多数建筑结构都是超静定结构。

2.2.2 温度对钢结构影响

高温对建筑结构有两个影响：热膨胀和材料强度降低。对于静定结构，热膨胀不会产生热内力，只需检查高温下材料的减薄问题。因此，对于静态确定的结构，建筑物结构及其组件在300℃以下不需要防火的结论是正确的。对于超静定结构，上述结论可能不正确。由于热膨胀的作用，当温度升高时，组件将发生热膨胀。钢的热膨胀系数大，并且热膨胀变形大。静态结构中的组件相互约束。组件的热膨胀受到周围组件的限制。内部温度力会很大。此时，即使成分未超过300℃，钢的强度也没有降低。由热膨胀引起的结构内力可能仍超过组件的承重能力，导致结构由于组件的破坏，整体结构也可能崩溃。因此，对于不确定的结构，不仅需要检查高温下材料的强度降低，而且更重要的是，有必要检查由热引起的部件内部温度是否安全升高。在结构设计阶段，根据夏季温度升高和冬季温度降低这两个条件，在温度内力条件下对建筑结构进行了构造。这时，夏季气温上升了30-40℃。即使温度从30℃上升到40℃，结构的内力也比其他荷载大。因此，关于钢结构在低于300℃的温度下不需要防火的结论是错误的。

2.3 防火保护高度确定

钢屋盖、钢管混凝土柱、钢柱小于10米时需要防火，大于10米时不需要防火。这种误解的基础可能是“10米以下的温度大于300℃，10米以上的温度小于300℃；确定了低于300℃的材料强度不会降低的理论。如前一节所述，对于钢质屋顶，这种防火方法忽略了温度内力引起的结构损坏和结构损坏，这是完全错误的。本文主要阐述了钢管混凝土柱的耐火设计和防火措施。钢管混凝土柱支撑上部屋盖的重量，火灾作用下屋盖的热膨胀会对钢管混凝土柱产生较大的推力，使钢管混凝土柱承受的水平荷载急剧增加。此时，即使钢管混凝土材料的温度为常温，材料强度也不会降低，钢管混凝土柱的承载力不会降低，但只要组合使用以下材料即可。

3. 正确进行大跨钢结构防火性能化评估的对策

目前，在大跨网架结构耐火性能的研究方面已经取得了较多的研究成果，在钢管混凝土结构耐火性能的研究方面也取得了较多的研究成果，以上研究成果可为相关结构整体抗火性能分析提供参考。

3.1 大跨钢结构抗火设计及防火保护的步骤

根据国家标准《建筑钢结构防火技术规范》，大跨度钢结构的防火设计步骤一般可分为以下几个步骤：

(1) 确定大空间建筑的火灾温度场。

(2) 进行构件的抗火验算。整体耐火性校核计算的前提是，如果构件在火灾中没有破坏，整个结构的校核计算结果不可靠，同时还要确保每个构件在火灾中是安全的。

3.2 钢管混凝土柱抗火设计

2014年以前，钢管混凝土柱的防火设计没有相关规范，钢管混凝土柱的防火设计也没有依据。2014年颁布的GB50936－2014《钢管混凝土结构技术规范》^[3]提出了钢管混凝土结构耐火设计的要求。规范只给出了钢管混凝土轴心受压柱的抗火设计方法，偏心受压钢管混凝土柱的抗火设计可以通过工程咨询实现。

4. 结束语

根据大跨度钢结构防火性能评估中存在的典型误区和方法，分析论证了产生这些误区的缘由，并针对这些误区，提出了大跨度钢结构防火性能评估的正确对策。

参考文献:

［1］ 王广勇，王娜． 网架结构耐火性能分析［J］． 北京工业学学报，2013，39(10):1509-1515．

［2］ 王广勇，张东明，郑蝉蝉，等． 钢管混凝土柱-钢梁平框架耐火性能的参数研究［J］． 工程力学，2014，31(6):138-144;158．

作者简介：

赵强(1995-10)，男，汉族，山东省泰安市人，硕士研究生在读，山东科技大学土木工程与建筑学院2019级建筑与土木工程专业。

赵培旺(1994-12)，男，汉族，山东省德州市人，硕士研究生在读，山东科技大学土木工程与建筑学院2019级建筑与土木工程专业。

赵辉(1996-)男，汉族，河南省濮阳市人，研究生在读，山东科技大学土木与建筑学院2019级建筑与土木工程专业